基于卡琳娜循環(huán)的船舶余熱利用

黃錦杰 呂俊兵 蔣兆明

摘? 要：船舶柴油機(jī)的節(jié)能環(huán)保問題一直受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，當(dāng)前的焦點(diǎn)是船舶尾氣的熱量一直未得到有效利用。本文主要以船舶柴油機(jī)的廢氣余熱回收利用為研究對(duì)象，比較了朗肯循環(huán)與卡琳娜循環(huán)回收廢氣余熱的優(yōu)缺點(diǎn)，提出基于卡琳娜循環(huán)的船舶余熱用于主機(jī)脫硫的方案，并根據(jù)相應(yīng)的實(shí)際案例，對(duì)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證，最后從結(jié)構(gòu)、設(shè)備條件以及經(jīng)濟(jì)等方面分析了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：船舶余熱;卡琳娜循環(huán);氨液;主機(jī)脫硫技術(shù)

0 引 言

隨著貿(mào)易全球化的快速發(fā)展，船舶在運(yùn)輸行業(yè)上扮演著越來越重要的角色，但也給環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約等方面帶來了諸多問題。船舶柴油機(jī)的節(jié)能環(huán)保問題受到了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，再加上現(xiàn)階段IMO提出了新的EEDI造船標(biāo)準(zhǔn)，為了響應(yīng)國際海事組織所提出的“航行更安全、水域更清潔”的要求，國內(nèi)外都在進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)代造船理念的外延與內(nèi)涵，積極探索EEDI能效指數(shù)，為船舶管理模式和造船技術(shù)提供可靠性依據(jù)[1]，進(jìn)一步提高了船舶主機(jī)能效要求?，F(xiàn)階段，在所有熱機(jī)中熱效率占比最高的船舶柴油機(jī)主機(jī)，其熱效率也僅能達(dá)到一半，但該主機(jī)仍有大部分的燃料熱量，通過尾氣排煙、冷卻水等形式排入環(huán)境中，這不但帶來了能源的浪費(fèi)，而且會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，柴油機(jī)廢氣渦輪增壓機(jī)的熱效率得到了提高，所以存在船舶尾氣中的余熱，能夠供往廢氣渦輪增壓機(jī)，而且也存在大部分剩余。

國內(nèi)外的廢氣余熱回收利用的研究大多數(shù)基于提升船舶余熱回收效率的新型技術(shù)手段，既是滿足國際航運(yùn)法律條文和規(guī)章制度的迫切需要，也符合當(dāng)今世界節(jié)能減排的發(fā)展大趨勢(shì)。國外諸多公司、機(jī)構(gòu)致力于研究目前在船舶主機(jī)余熱利用領(lǐng)域的技術(shù)路徑和相關(guān)裝置，旨在提高船舶的余熱利用。例如：MAN公司、瓦錫蘭（Wartsila）和日本三菱重工等柴油機(jī)及動(dòng)力設(shè)施設(shè)備成套公司，都針對(duì)船舶柴油機(jī)開發(fā)相應(yīng)的余熱回收裝置[2]。目前國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)船舶柴油機(jī)余熱回收也進(jìn)行了大量研究。劉長鋮[3]等針對(duì) MANB&W公司的某型船用低速柴油機(jī)，自主設(shè)計(jì)余熱綜合回收利用系統(tǒng)，分析了環(huán)境溫度和主機(jī)負(fù)荷對(duì)余熱利用系統(tǒng)的影響。國內(nèi)學(xué)者朱軼林[4]等研究一套朗肯循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是對(duì)船舶尾氣余熱進(jìn)行回收利用，他們探討了膨脹比以及蒸發(fā)溫度對(duì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的影響因素，在六缸船舶柴油機(jī)上設(shè)計(jì)一套卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)，研究表明可顯著提高柴油機(jī)尾氣利用率，同時(shí)降低燃油的消耗率。中船三井造船柴油機(jī)公司（上海），利用排氣總管進(jìn)行一部分能量的旁通，提高船舶尾氣溫度，進(jìn)而提高排氣熱量的利用率。

本文就卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行探究，在降低SO2排放和提高船舶尾氣廢熱再利用等方面進(jìn)行優(yōu)化，能夠直接、高效地對(duì)船舶廢氣熱量再次利用，提高船舶營運(yùn)效益，也能減少含硫物廢氣排放量，在一定程度上推動(dòng)節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新。

1 船舶余熱利用

1.1 船舶余熱

船舶消耗燃料的設(shè)備主要有柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、輔鍋爐等設(shè)備。其中，柴油機(jī)消耗的能量僅占總輸入能量的七到九成。在燃料燃燒過程中，氣缸所釋放出的全部能量，轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的熱量在燃料產(chǎn)生的全部熱量當(dāng)中僅占了一小部分，其余都以廢熱的形式排出船舶，在一定程度上，就是能源消耗設(shè)備未能夠完全利用的能源，即多余的、廢棄的能源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，各型船舶余熱資源占其燃料釋放熱能的二到六成不等，而在這些廢熱能源中，可被回收再利用的廢熱僅占廢熱總能的60%。

船舶航運(yùn)業(yè)在總能源消耗中所占比重相對(duì)較大，燃料燃燒所釋放的熱量則分別通過主機(jī)排煙、機(jī)器設(shè)備的表面散熱以及各冷卻器的冷卻介質(zhì)等形式消耗。根據(jù)能量守恒定律，柴油機(jī)能量轉(zhuǎn)換的數(shù)值范圍如下：

（1）柴油機(jī)的熱效率僅有28%～ 37%的熱量轉(zhuǎn)換為有效機(jī)械功;

（2）柴油機(jī)的排氣溫度約300℃～450℃，帶走的熱量約占燃料發(fā)熱總量的30%～40%;

（3）柴油機(jī)的缸套冷卻水溫度約占60℃～85℃，帶走的熱量約占燃料發(fā)熱總量的25%;

（4）柴油機(jī)的其他方面熱量損耗約占2%～8%，常見有機(jī)械表面散熱、摩擦損失熱、輻射熱等。

由以上數(shù)據(jù)可知，柴油機(jī)消耗燃油所產(chǎn)生的熱量，有50%～60%是被主機(jī)排煙和其他冷卻介質(zhì)帶走并擴(kuò)散到環(huán)境中的?？梢姡坝酂?、廢熱等低品位熱能有著非常廣闊的利用空間。

1.2 余熱利用

根據(jù)余熱利用的原則，船上常見的利用途徑如圖1所示。傳統(tǒng)船舶上最常見的船舶余熱利用設(shè)備只有廢氣渦輪增壓器、廢氣鍋爐、輔助鍋爐海水淡化裝置等簡單設(shè)備，少數(shù)大功率船舶配置有蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)，這些設(shè)備只是利用了一部分的船舶余熱，仍有大部分的低品位熱能未被利用，而被海水帶到外部環(huán)境當(dāng)中。

船舶也可利用余熱等低品位熱能制冷脫硫，也是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)利用的有效途徑，現(xiàn)階段利用余熱制冷的技術(shù)有：吸收式制冷、噴射式制冷和吸附式制冷這三種主要形式。以余熱為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行制冷的技術(shù)?？捎么拔矚庥酂?，給裝有濃氨溶液的發(fā)生器進(jìn)行加熱，氨與一部分水會(huì)蒸發(fā)形成混合氣體，混合氣體再通過進(jìn)一步的精餾，獲得純度較高的氨氣，再把氨氣通入冷凝器中進(jìn)行冷凝，最后形成氨液。

近年來，氨液常用于主機(jī)廢氣的脫硫處理，該技術(shù)因其脫硫效率高、無二次再生污染、脫硫副產(chǎn)品利用價(jià)值高等優(yōu)勢(shì)而倍受關(guān)注。我國大部分造船廠對(duì)氨液脫硫技術(shù)工藝過程進(jìn)行研究計(jì)劃，在大型柴油機(jī)組上大力建設(shè)氨液脫硫示范工程，進(jìn)一步完善和改進(jìn)脫硫工藝，降低SO2排放量。

2 卡琳娜循環(huán)

2.1 卡琳娜循環(huán)概述

卡琳娜循環(huán)，是以氨液為工質(zhì)的熱動(dòng)力循環(huán)的總稱，是Alexander I. Kalina 在美國動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì)上第一次提出的。基于該工作過程中工質(zhì)濃度的改變和工質(zhì)相變的非等溫過程，讓整個(gè)循環(huán)過程與冷源、熱源有較合適的熱量轉(zhuǎn)換匹配關(guān)系。自從卡琳娜循環(huán)提出后，動(dòng)力學(xué)界專家學(xué)者，以卡琳娜循環(huán)和在卡琳娜循環(huán)基礎(chǔ)上發(fā)展的用氨/水混合物為工質(zhì)的熱力動(dòng)力學(xué)循環(huán)為研究對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)討論和實(shí)驗(yàn)研究。由于氨/水溶液臨界溫度相對(duì)比較低，讓卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)可以適用于較低溫的熱源，如工業(yè)廢熱能、地?zé)岷碗娎渎?lián)產(chǎn)的熱循環(huán)系統(tǒng)，也能適用于壓燃式柴油發(fā)電機(jī)組底部循環(huán)系統(tǒng)中。

為了減少熱力能源損失，提高資源的有效利用率，轉(zhuǎn)用低沸點(diǎn)工質(zhì)是利用低品味熱源的重要途徑。在國內(nèi)，低品味熱能利用方面，經(jīng)過了長時(shí)間的研究，研發(fā)了雙壓式、三壓式、補(bǔ)燃式、閃蒸式等余熱的技術(shù)手段。卡琳娜循環(huán)的基本構(gòu)思，是以氨/水混合液作為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)，適用于低品味廢熱的熱力循環(huán)系統(tǒng)，是一種節(jié)能減排的新型技術(shù)。

2.2 與朗肯循環(huán)的比較

卡琳娜循環(huán)和朗肯循環(huán)都是能夠把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，在船舶余熱利用方面得到了廣泛的應(yīng)用。其中，朗肯循環(huán)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工作介質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)來說，循環(huán)工質(zhì)的操作性能參數(shù)以及工質(zhì)的選擇是影響系統(tǒng)主要性能的重要因素，可以用純凈的有機(jī)物或混合物作為循環(huán)工質(zhì)[5]。

朗肯循環(huán)模型包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、冷凝器以及專用泵等，如圖2所示，首先，有機(jī)循環(huán)介質(zhì)用預(yù)熱器加熱，等達(dá)到泡點(diǎn)溫度后，再流過蒸發(fā)器進(jìn)行等溫蒸發(fā)，汽化后直接進(jìn)入透平進(jìn)行膨脹做功，隨著膨脹做工的持續(xù)，循環(huán)介質(zhì)壓力不斷降低，再通過冷卻水進(jìn)行冷卻液化直至完全液態(tài)，最后再進(jìn)入專用泵，提高工作壓力，完成整個(gè)循環(huán)過程。

卡琳娜循環(huán)包括分離器、蒸發(fā)器、冷凝器、低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?、透平和專用泵等，如圖3所示，并用氨水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，氨水混合物循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器中和煙氣進(jìn)行換熱作用，然后進(jìn)行進(jìn)一步的蒸發(fā)，汽化后直接進(jìn)入分離器進(jìn)行分離，然后再用透平進(jìn)行膨脹做功，循環(huán)工質(zhì)在高溫回?zé)崞髦信c回流氨水進(jìn)行熱量交換，接著用膨脹過后的氣體，與熱量交換后的液體相互混合，通往低溫回?zé)崞?，然后在回?zé)崞鲀?nèi)與冷卻后的介質(zhì)換熱，然后通過冷凝器把混合氣體冷卻成液態(tài)，最后通過專用泵回流形成一個(gè)完整的循環(huán)過程。

與朗肯循環(huán)相比，卡琳娜循環(huán)存在的缺點(diǎn)有：工藝流程相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)橄鄬?duì)于有機(jī)工質(zhì)來說，在氨液全部蒸發(fā)之前，是以氣態(tài)和液態(tài)這兩種狀態(tài)存在，可以說氨液的整個(gè)蒸發(fā)過程都是變溫過程。在循環(huán)中利用閃蒸罐，來調(diào)整有機(jī)工質(zhì)的工作濃度，降低回?zé)嵫h(huán)過程的平均溫度和透平的壓力[6]，但是卡琳娜循環(huán)也有其優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠利用內(nèi)部循環(huán)回?zé)峒夹g(shù)，把透平排氣的部分余熱，供應(yīng)到分餾過程中所需的能量上，使得能量能夠較好的進(jìn)行循環(huán)利用，對(duì)于能量的節(jié)約以及工藝用熱的提供有著重要的意義;

（2）在冷凝器中進(jìn)行冷凝的過程，其用料含氨量相對(duì)較少，可減少混合工質(zhì)在整個(gè)冷凝過程中的不可逆行為，能夠滿足在低壓環(huán)境下工質(zhì)完全冷凝的條件;

（3）在蒸發(fā)過程中，混合工質(zhì)溫度不斷發(fā)生變化，也可減少混合工質(zhì)在整個(gè)蒸發(fā)過程中的不可逆行為，能夠降低熱源的排氣溫度，提高熱源回收再利用效率，改善整個(gè)循環(huán)性能。

3 實(shí)例驗(yàn)證分析

Jonsson等人[7-8]比較了傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)和卡琳娜循環(huán)在船舶尾氣余熱回收方面的效率，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)的熱效率比單級(jí)蒸汽動(dòng)力循環(huán)提高了45%，比多級(jí)復(fù)壓式蒸汽動(dòng)力循環(huán)提高了25%，在經(jīng)濟(jì)性方面，對(duì)比卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)和朗肯循環(huán)系統(tǒng)兩個(gè)余熱回收系統(tǒng)，研究表明在能量輸出相同的情況下，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)比朗肯循環(huán)系統(tǒng)節(jié)約15%的費(fèi)用，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)性能。

船舶將卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于回收余熱的過程中，氨水的濃度以及不穩(wěn)定的熱源帶來了能量匯集復(fù)雜程度的增加，選用合適的研究方法和分析工具可以給學(xué)者理解系統(tǒng)的復(fù)雜工作過程帶來便利，從而提高工作效率，還能提高循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。

Campos等[9]使用Aspen-HYSYS軟件，在經(jīng)濟(jì)方面，分析比較卡琳娜循環(huán)和朗肯循環(huán)，通過計(jì)，得出了卡琳娜循環(huán)的最佳氨水濃度，在余熱回收方面，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)比朗肯循環(huán)系統(tǒng)更勝一籌，對(duì)于普遍的船舶余熱回收系統(tǒng)來說，采用卡琳娜動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)能夠回收50%的凝結(jié)作用熱，在傳統(tǒng)的船舶余熱回收過程中，采用高熱電轉(zhuǎn)化率的卡琳娜動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)前景比較廣泛，該循環(huán)系統(tǒng)能夠降低柴油機(jī)的能量損耗，并在諸多方面帶來經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

船舶的余熱利用一直都是船舶行業(yè)在發(fā)展中的一個(gè)重要難題，基于卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)的思考，本文提出在船舶上建立一個(gè)卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)，讓船舶的排氣余熱可以更好地被利用，從收集余熱，再到使用余熱，使得船舶余熱的利用率能夠得到高，使得我國的資源利用能夠更加綠色，更加高效。相對(duì)于基于水蒸氣的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，混合工質(zhì)中氨水的沸點(diǎn)相對(duì)較低，容易進(jìn)行蒸發(fā)作用，再通過低溫?zé)嵩吹倪M(jìn)一步的加熱，能夠使氨水完全蒸發(fā)為氣態(tài)，從而能夠利用回收過程中廢氣余熱;從工質(zhì)上來說，卡琳娜循環(huán)以氨水為循環(huán)混合工質(zhì)，余熱在進(jìn)行蒸發(fā)冷凝時(shí)，整個(gè)過程是變溫的，表現(xiàn)出溫度滑移現(xiàn)象，與純工質(zhì)相比，這種混合工質(zhì)能夠在換熱過程中，更好地與熱源變溫特性曲線相匹配，能夠降低熱量交換過程的不可逆損失，提高船舶廢氣熱能利用率。

卡琳娜循環(huán)是一種能夠在低溫?zé)嵩椿厥辗矫嫘阅茌^優(yōu)越的新型熱力循環(huán)方式?？漳妊h(huán)在蒸發(fā)過程中，循環(huán)工質(zhì)能夠進(jìn)行等壓變溫蒸發(fā)，從而減少工質(zhì)在吸熱過程中的不可逆性;同時(shí)，因?yàn)楣べ|(zhì)的含氨量較低，在冷凝過程中能夠克服朗肯循環(huán)中因采用低沸點(diǎn)有機(jī)物為工作介質(zhì)所帶來的冷凝損失量較大的問題。當(dāng)船舶柴油機(jī)組以卡琳娜動(dòng)力循環(huán)為運(yùn)行方式時(shí)，對(duì)發(fā)生器中的濃氨溶液進(jìn)行加熱，與水同時(shí)蒸發(fā)形成混合氣，再通過精餾，獲得純度較高的氨氣，再對(duì)其進(jìn)行冷凝，最后形成氨液，用于主機(jī)尾氣的脫硫處理。采用卡琳娜循環(huán)不僅能夠提高船舶廢氣余熱的利用率，還能制成氨液，對(duì)主機(jī)進(jìn)行脫硫處理等，帶來了諸多方面的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：

黃錦杰，本科，主要從事海事管理工作，（E-mail）1033857396@qq.com，18857062680

呂俊兵，本科，主要從事海事管理工作

蔣兆明，本科，主要從事海事管理工作